17 aerei di pre-produzione utilizzati per le prove sul motore ed equipaggiamenti e per le prove di volo. La maggior parte sono stati poi convertiti allo standard F-104A.
;F-104A
VersioneCaccia prodottaintercettore, inversione iniziale di produzione per un totale di 153 velivoli di produzione iniziale.<ref name="Donald 1997"/> L'F-104A venne impiegato dall'USAF dal 1958 al 1960 e poi fu trasferito alla ''[[Air National Guard]]'' fino al 1963 quando vennero richiamati dall'Air Defense Command per equipaggiare il 319th e il ''331st Fighter Interceptor Squadron''. Alcuni vennero esportati in Giordania, Pakistan e Taiwan e ognuno di questi tre stati ebbe occasione di utilizzarli in combattimento. Nel 1967 gli F-104A della 319º gruppo furono riequipaggiati con i motori J79-GE-19 motori da 17,900 lbf (79.6 kN) di spinta con [[postbruciatore]]; la quota di tangenza con questo motore si alzò al di sopra dei 73,000 ft (22,250 m). Nel 1969 tutti gli F-104A e B in servizio con l'Air Defense Command vennero ritirati dal servizio. Il 18 maggio 1958 un F-104A stabilì il record mondiale di velocità di 1 404,19 mph (2 259,82 km/h).<ref>[http://www.fas.org/nuke/guide/usa/airdef/f-104.htm "F-104 Starfighter."] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20001009032625/http://fas.org/nuke/guide/usa/airdef/f-104.htm |data=9 ottobre 2000 }} ''Federation of American Scientists'' 29 giugno 1999. URL consultato il 17 maggio 2011.</ref>
;NF-104A
tre versioni demilitarizzate e dotate di un [[motore a razzo]] Rocketdyne LR121/AR-2-NA-1 con una spinta supplementare di 6 000 lbf (27 kN), utilizzate per l'addestramento degli astronauti a quote fino a 120 800 ft (36 820 m).<ref>[http://www.airspacemag.com/history-of-flight/starfighter.html Air and Space Magazine: ''Sky High'' aritcle] {{webarchive|url=https://archive.is/20130116112504/http://www.airspacemag.com/history-of-flight/starfighter.html |data=16 gennaio 2013 }}.</ref>
